BSF - Längsregelung

Autor: Alessio Cebeci
Betreuer: Prof. Schneider

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt den Aufbau der Längsregelung des Carolo Cup Fahrzeugs. Im Verlauf des Artikels, sollen Einblicke in die Anforderungen und Pflichten folgen, sowie eine Erläuterung der Herangehensweise an die Aufgabenstellung. Das Projekt ist im Rahmen des Semesterpraktikums der Mechatronik Studenten erschaffen worden und wird fortlaufend von Jahrgang zu Jahrgang weitergereicht und entwickelt.

Anforderungen

Im Projekt "Carolo Cup Fahrzeug" besteht ein Lastenheft, welches verschiedene Anforderungen schriftlich festhält. Jedes Team ist verpflichtet die für ihren Bereich geltenden Anforderungen zu übernehmen. Die Längsregelung ist hierbei ein Teil der REQ10.2300.

Abbildung 1: Anforderung an die Längsregelung

Pflichtenheft

In der Abbildung 2, sind die Pflichten für die Längsregelung festgehalten die zu Meilenstein 1 am 14.05.2020 zu erledigen sind.

Abbildung 2: Pflichten für die Längsregelung

Überprüfung Modul: Bestimmung Soll Geschwindigkeit

In diesem Kapitel geht es um die Überprüfung und Überarbeitung des Moduls "Bestimmung der Soll Geschwindigkeit". Dazu folgt zunächst ein Vergleich des Aufbaus des Simulink Modells vor der Überprüfung und nach der Überarbeitung. Anschließend werden die wichtigsten Signale miteinander verglichen.

Vergleich des Moduls | Bestimmung Sollgeschwindigkeit

In diesem Abschnitt werden im folgendem, die Ergebnisse und Änderungen des Simulink Modells vorgestellt. Die Nachfolgenden Abbildungen zeigen das Modell vor der Überprüfung und nach der Überprüfung / Überarbeitung.

Abbildung 3: Modul Bestimmung Sollgeschwindigkeit vor der Überprüfung

Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, beinhaltet das Simulink Modell alte Implementierungen wie das Modul des Verhaltens bei einer Stopplinie. Des Weiteren ist die Übersicht sehr unstrukturiert und Teils fehlen Kommentierungen.

Abbildung 4: Modul Bestimmung Sollgeschwindigkeit nach der Überarbeitung

Die Abbildung 4 zeigt das Simulink Modell nach der Überarbeitung. Es wurde das alte Modul des Verhaltens bei einer Stopplinie gelöscht und die Blöcke neu angeordnet.

Vergleich der Signalverläufe

In diesem Abschnitt werden die Signalverläufe vor der Überprüfung und nach der Überarbeitung verglichen. Bei beiden nachfolgenden Auszügen aus der Simulationsumgebung sind drei Grafen zusehen die unterschiedliche Signale darstellen. Die Signale sind in den jeweiligen Grafen beschriftet und sind in Abbildung 5 und 6 zu finden.

Abbildung 5: Signalverlauf vor der Überprüfung

Wie in Abbildung 5 bei Signal SenKam_SpurA_f64 zusehen ist, befinden sich im Bereich 31 bis 36 und 63 bis 67 auf der x Achse (T für Zeit) Störungen, die durch die Überfahrt der Kreuzung entstehen. Durch die fehlende mittlere Fahrbahnmarkierung, kommt es zu Fehlern bei der Berechnung der Kurvenkrümmung im Modul Spurerkennung. Die Auswirkung dieser Störung sind ebenfalls im Signal BsfVx_VxSoll_unfilt_f64 zu beobachten. Letztendlich ist auch nach der Filterung mit einem Tiefpass im dritten Signal keine Verbesserung der Störung zu entnehmen.

Abbildung 6: Signalverlauf nach der Überarbeitung

Nach der Optimierung des Signals SenKam_SpurA_f64, wurde das Signal BsfVx_VxSoll_f64 störungsfreier, sodass das Fahrzeug eine bessere Performance auf der Rundstrecke leisten kann. Durch die Verbesserung konnte die Reichweite der Fahrt bei gleicher Simulationszeit erhöht werden.

Überprüfung Modul: Regelung der Soll Geschwindigkeit

In diesem Kapitel geht es um die Überprüfung und Überarbeitung des Moduls "Regelung der Soll Geschwindigkeit". Dazu folgt zunächst ein Vergleich des Aufbaus des Simulink Modells vor der Überprüfung und nach der Überarbeitung. Anschließend werden die wichtigsten Signale miteinander verglichen. Des Weiteren werden die alten und neuen Parameter des Reglers erläutert. Zum Schluss folgt ein Beitrag über die Windup-Problematik, da sich im Regler ein I-Anteil befindet.

Vergleich des Moduls | Regelung der Sollgeschwindigkeit

In diesem Vergleich soll aufgezeigt werden, welche Änderungen sich ergeben haben.

Abbildung 7: Längsführungsregler vor der Überprüfung

Die bestehende Implementierung war vom Konzept nachvollziehbar und funktionierte recht gut.

Abbildung 8: Längsführungsregler nach der Überarbeitung

Allerdings wurden die Parameter noch optimiert, sodass der Signalverlauf verbessert werden konnte. Des Weiteren wurde das Simulink Modell Teils neu angeordnet, um es übersichtlicher zu machen und es wurden Kommentierungen eingefügt zur besseren Nachvollzubarkeit.

Vergleich der Signalverläufe

Als nächstes werden die Signalverläufe des Reglers für die Längsregelung vorgestellt. Dazu werden die beiden folgenden Abbildungen betrachtet, die zum einen den Signalverlauf vor der Überprüfung und nach der Überarbeitung darstellen.

Abbildung 9: Signalverlauf des Reglers vor der Überprüfung

Bei genauerer Betrachtung von Abbildung 10 ist zusehen, dass die Soll Geschwindigkeit (Famo_VxSoll_f64) und die Ist Geschwindigkeit (SenVx_vx_K_f64), zum Teil noch nicht ganz optimal verlaufen. Die Differenz der beiden Signale, sind im Signal (BsfLaengs_ReglerDiff_f64) zu finden. Des Weiteren befindet sich das Signal (BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64) für die Gaspedal Ansteuerung in der Darstellung.

Abbildung 10: Signalverlauf des Reglers nach der Überarbeitung

Die Abbildung 11 zeigt den Signalverlauf nach der Überarbeitung und Einstellung von neuen Parametern für den Regler. Hierbei ist die Regeldifferenz (BsfLaengs_RegelDiff_f64) halbiert worden.

Vergleich der Parameter des Reglers

Wie im letzten Abschnitt angedeutet, sind die Parameter des Reglers neu bestimmt worden. Die nachfolgende Tabelle zeigt hierbei die vorher und nachher Werte der Parameter des Reglers.

Regler	Wert für P-Anteil	Wert für I-Anteil	Wert für D-Anteil
Vorher	5	2	0
Nachher	11	5	0

(Stand 10.05.2020)

Überprüfung der Windup-Problematik durch I-Anteil im Regler

Bei der Überprüfung des PID - Reglers besteht aktuell kein WindUp - Problem. Jedoch befindet sich eine Implementierung eines Anti - WindUps, der durch setzen des Wertes 0 im Parameter PAR_BsfLaengs_AntiWindUp_f64, ausgeschaltet ist. Da aktuell die maximale Geschwindigkeit des Fahrzeuges 0,75 m / s beträgt, erreicht die Stellung des Pedals keinen Wert außerhalb des Begrenzers. Somit ist aktuell kein Anti-WindUp notwendig. Sollte die maximale Geschwindigkeitsbegrenzung erhöht werden, so ist die Beurteilung des Windups-Problems neu zu treffen.

Abbildung 11: Messung der Differenz des Begrenzers

Die Abbildung 11 zeigt die Messstelle, an dem die Differenz des Bergenzers gemessen wurde.

Abbildung 12: Signalverlauf der Differenz des Begrenzers

Aktuell ist die höhe der Differenz des Begrenzers in Abbildung 12 dargestellt. Wie zu sehen ist, befindet sich das Signal auf 0.